JP2011008816A - Method for deforming standard model and modeling device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To allow better matching with measured three-dimensional data without causing local abnormal deformations of local parts such as eyes and a mouth.SOLUTION: In a method for deforming a standard model DS in accordance with measured three-dimensional data by using a processor including a CPU and a memory, the CPU executes: a step of storing the three-dimensional data and the standard model DS in the memory, and reducing the number of pieces of three-dimensional data in order to thin the three-dimensional data; a step of deforming the entire standard model DS to reduce a distance between an outline of thinned three-dimensional data and an outline of the standard DS model; a step of selecting a plurality of partial areas BRY having local features from three-dimensional data before thinning after the entire standard model DS is deformed; and a step of using three-dimensional data of the plurality of selected partial areas to deform only corresponding parts of the standard model DS.

Description

本発明は、標準モデルの変形方法およびモデリング装置に関し、例えばコンピュータグラフィックスの分野における3次元モデルの生成に利用される。   The present invention relates to a standard model deformation method and modeling apparatus, and is used, for example, for generating a three-dimensional model in the field of computer graphics.

近年において、映画やゲームなどに3次元CG(3次元コンピュータグラフィックス)の技術がしばしば用いられている。3次元CGでは、仮想的な3次元空間内に3次元モデルやライトを配置して動かすので、表現の自由度が高い。   In recent years, 3D CG (3D computer graphics) technology is often used for movies and games. In the three-dimensional CG, a three-dimensional model and a light are arranged and moved in a virtual three-dimensional space, so that the degree of freedom of expression is high.

従来より、光切断法などによる非接触型の3次元計測装置が実用化されており、これを用いて計測を行うことにより、対象物の3次元データを比較的容易に作成することができる。しかし、計測によって得られた3次元データをそのまま3次元CGに用いるには、得られたデータの間引きなどを行ってデータ量を減らすための処理が複雑であるなど、種々の問題がある。   Conventionally, a non-contact type three-dimensional measuring apparatus using a light cutting method or the like has been put into practical use, and by performing measurement using this, three-dimensional data of an object can be created relatively easily. However, in order to use the three-dimensional data obtained by the measurement as it is for the three-dimensional CG, there are various problems such as complicated processing for reducing the amount of data by thinning out the obtained data.

この問題に対処するため、対象物の標準モデルを準備しておき、計測された3次元データに合わせて標準モデルを変形する方法が提案されている(特許文献1)。   In order to deal with this problem, a method has been proposed in which a standard model of an object is prepared and the standard model is deformed in accordance with the measured three-dimensional data (Patent Document 1).

この従来の方法では、計測によって得られた3次元データの3次元形状情報、つまり3次元に存在する点群をフィッティング対象として用い、それら3次元の点群に標準モデルの表面をフィッティングさせる。   In this conventional method, three-dimensional shape information of three-dimensional data obtained by measurement, that is, a point group existing in three dimensions is used as a fitting target, and the surface of the standard model is fitted to the three-dimensional point group.

特開平5−81377号JP-A-5-81377

しかし、上に述べた従来の方法においては、全体的な形状はほぼ一致するのであるが、局所的な特徴を一致させることは困難であった。   However, in the conventional method described above, the overall shapes are almost the same, but it is difficult to match the local features.

つまり、例えば、従来の方法によって人の頭部の3次元モデルを作成した場合に、できあがった3次元モデルは、頭部の全体的な形状は計測対象の人の頭部と一致するのであるが、目または口もとなどのように顔の表情に大きな影響を与える局所的な部分については、充分に一致するまでに至らない。そのため、人の細かい表情を表現することは困難であった。   That is, for example, when a three-dimensional model of a human head is created by a conventional method, the overall shape of the three-dimensional model matches the head of the person to be measured. Local parts that have a great influence on facial expressions such as eyes or mouth cannot be matched sufficiently. Therefore, it was difficult to express a person's fine facial expression.

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、目または口もとなどの局部について、局部的な異常変形を起こすことなく、計測された3次元データによりよく一致させることのできる方法および装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and a method and apparatus that can better match the measured three-dimensional data without causing local abnormal deformation of the local area such as the eyes or mouth. The purpose is to provide.

本発明に係る方法は、CPUおよびメモリを有する処理装置を用いて、計測された3次元データに合わせて標準モデルを変形する方法であって、前記3次元データおよび前記標準モデルを前記メモリに格納しておき、前記CPUによって、前記3次元データを間引くために、前記3次元データの個数を削減するステップと、前記間引かれた3次元データの輪郭と前記標準モデルの輪郭との距離が小さくなるように前記標準モデルの全体を変形するステップと、前記標準モデルの全体を変形した後に、前記間引かれる前の3次元データから局所的に特徴を有する複数の部分領域を選択するステップと、選択された複数の部分領域の3次元データを用いて、前記標準モデルの対応する部分のみを変形するステップと、を実行する。   The method according to the present invention is a method of transforming a standard model in accordance with measured three-dimensional data using a processing device having a CPU and a memory, and storing the three-dimensional data and the standard model in the memory. In addition, in order for the CPU to thin out the three-dimensional data, the step of reducing the number of the three-dimensional data, and the distance between the thinned-out outline of the three-dimensional data and the outline of the standard model is small. Transforming the whole standard model so that it becomes, selecting a plurality of partial regions having features locally from the three-dimensional data before being thinned after transforming the whole standard model, The step of deforming only the corresponding part of the standard model using the three-dimensional data of the selected partial areas is executed.

さらには、前記標準モデルには標準モデルを変形させるための制御点が定義されており、前記部分領域ごとに、前記制御点、前記3次元データの個数を削減する削減率、または前記標準モデルの変形の度合を評価する評価関数の少なくとも1つを変更する。   Further, control points for deforming the standard model are defined in the standard model, and for each partial region, the control points, a reduction rate for reducing the number of the three-dimensional data, or the standard model At least one of the evaluation functions for evaluating the degree of deformation is changed.

本発明に係る装置は、前記3次元データを間引くために、前記3次元データの個数を削減する手段と、前記間引かれた3次元データの輪郭と前記標準モデルの輪郭との距離が小さくなるように前記標準モデルの全体を変形する手段と、前記標準モデルの全体を変形した後に、前記間引かれる前の3次元データから局所的に特徴を有する複数の部分領域を選択する手段と、選択された複数の部分領域の3次元データを用いて、前記標準モデルの対応する部分のみを変形する手段とを有してなる。   In the apparatus according to the present invention, in order to thin out the three-dimensional data, a distance between the means for reducing the number of the three-dimensional data and the contour of the thinned-out three-dimensional data and the contour of the standard model is reduced. Means for deforming the whole of the standard model, and means for selecting a plurality of partial regions having features locally from the three-dimensional data before being thinned after the whole of the standard model is transformed, Means for deforming only the corresponding part of the standard model using the three-dimensional data of the plurality of partial areas.

本発明において、フィッティングとは、標準モデルの変形処理、またはそれを含む一連の処理をいう。   In the present invention, the fitting refers to a deformation process of a standard model or a series of processes including it.

本発明によると、目または口もとなどの局部について、局部的な異常変形を起こすことなく、計測された3次元データによりよく一致させることができる。   According to the present invention, it is possible to better match the measured three-dimensional data with respect to a local part such as an eye or a mouth without causing local abnormal deformation.

本発明に係るモデリング装置を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the modeling apparatus which concerns on this invention. モデリング装置の全体の処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the whole process of a modeling apparatus. 変形処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows a deformation | transformation process. 標準モデルの例を示す図である。It is a figure which shows the example of a standard model. 対象物から3次元データを取得する様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that three-dimensional data is acquired from a target object. 概略の位置合わせの様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of a rough alignment. 輪郭および特徴点の抽出処理の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of the extraction process of an outline and a feature point. 標準モデルの面と3次元データの点とを模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the surface of a standard model, and the point of three-dimensional data. 標準モデルの異常変形を防ぐための仮想バネを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the virtual spring for preventing the abnormal deformation | transformation of a standard model. 対象物の3次元データおよび信頼性データを取得する方法の例を説明する図である。It is a figure explaining the example of the method of acquiring the three-dimensional data and reliability data of a target object. 部分領域の抽出の例を示す図である。It is a figure which shows the example of extraction of a partial area | region. 部分領域を用いて標準モデルの変形を行う方法の例を説明する図である。It is a figure explaining the example of the method of deform | transforming a standard model using a partial area | region.

図1は本発明に係るモデリング装置1を示すブロック図である。本実施形態においては、予め作成した標準モデルを人の頭部についての計測データ(3次元データまたは2次元画像)に基づいて変形する(フィッティングする)ことにより、人の頭部の3次元モデルを生成する例を説明する。   FIG. 1 is a block diagram showing a modeling apparatus 1 according to the present invention. In the present embodiment, a standard model created in advance is deformed (fitted) based on measurement data (three-dimensional data or a two-dimensional image) about a human head, thereby obtaining a three-dimensional model of the human head. An example of generation will be described.

図1に示すように、モデリング装置1は、処理装置10、磁気ディスク装置11、媒体ドライブ装置12、ディスプレイ装置13、キーボード14、マウス15、および3次元計測装置16などからなる。   As shown in FIG. 1, the modeling device 1 includes a processing device 10, a magnetic disk device 11, a medium drive device 12, a display device 13, a keyboard 14, a mouse 15, and a three-dimensional measuring device 16.

処理装置10は、CPU、RAM、ROM、ビデオRAM、入出力ポート、および各種コントローラなどからなる。RAMおよびROMなどに記憶されたプログラムをCPUが実行することにより、処理装置10上に種々の機能が実現される。   The processing device 10 includes a CPU, a RAM, a ROM, a video RAM, an input / output port, various controllers, and the like. Various functions are realized on the processing device 10 by the CPU executing programs stored in the RAM and ROM.

磁気ディスク装置11には、OS(Operating System) 、3次元モデルMLを生成するためのモデリングプログラムPR、その他のプログラム、標準モデル(標準モデルデータ)DS、3次元データ(3次元計測データ)DT、3次元データDTの信頼性を示す信頼性データDR、2次元画像(2次元計測データ)FT、生成された3次元モデルML、その他のデータなどが格納されている。これらのプログラムおよびデータは、適時、処理装置10のRAMにローディングされる。   The magnetic disk device 11 includes an OS (Operating System), a modeling program PR for generating a three-dimensional model ML, other programs, a standard model (standard model data) DS, three-dimensional data (three-dimensional measurement data) DT, The reliability data DR indicating the reliability of the three-dimensional data DT, the two-dimensional image (two-dimensional measurement data) FT, the generated three-dimensional model ML, and other data are stored. These programs and data are loaded into the RAM of the processing device 10 at appropriate times.

なお、モデリングプログラムPRには、計測処理、概略位置合わせ、データ削減処理、変形処理、部分領域選択処理、およびその他の処理のためのプログラムが含まれる。   Note that the modeling program PR includes programs for measurement processing, rough alignment, data reduction processing, deformation processing, partial region selection processing, and other processing.

媒体ドライブ装置12は、CD−ROM(CD)、フロッピィディスクFD、または光磁気ディスクなどの記録媒体にアクセスし、データまたはプログラムの読み書きなどを行うものである。記録媒体の種類に応じて適切なドライブ装置が用いられる。上に述べたモデリングプログラムPRは、これら記録媒体からインストールすることが可能である。標準モデルDS、3次元データDT、信頼性データDR、および2次元画像FTなども、記録媒体を介して入力することが可能である。   The medium drive device 12 accesses a recording medium such as a CD-ROM (CD), a floppy disk FD, or a magneto-optical disk, and reads / writes data or programs. An appropriate drive device is used according to the type of the recording medium. The modeling program PR described above can be installed from these recording media. The standard model DS, the three-dimensional data DT, the reliability data DR, the two-dimensional image FT, and the like can also be input via the recording medium.

ディスプレイ装置13の表示面HGには、上に述べた種々のデータ、およびモデリングプログラムPRにより生成された3次元モデルML、その他のデータ(画像)が表示される。   Various data described above, the three-dimensional model ML generated by the modeling program PR, and other data (images) are displayed on the display surface HG of the display device 13.

キーボード14およびマウス15は、処理装置10にデータを入力しまたは指令を与えるために用いられる。3次元計測装置16は、例えば光切断法によって対象物の3次元データDTを得るためのものである。3次元計測装置16によって直接的に3次元データDTを得ることも可能であり、また、3次元計測装置16から出力されるデータに基づいて処理装置10などで演算を行い、間接的に3次元データDTを得ることも可能である。   The keyboard 14 and the mouse 15 are used for inputting data or giving commands to the processing device 10. The three-dimensional measuring device 16 is for obtaining three-dimensional data DT of an object by, for example, a light cutting method. It is also possible to obtain the three-dimensional data DT directly by the three-dimensional measuring device 16, and the calculation is performed by the processing device 10 or the like based on the data output from the three-dimensional measuring device 16 and indirectly three-dimensionally. It is also possible to obtain data DT.

3次元データDTと同時に、必要に応じて同じ対象物について同じ視線上の2次元画像FTを取得することも可能である。そのような3次元計測装置16として、例えば特開平10−206132号に示される公知の装置を用いることが可能である。   Simultaneously with the three-dimensional data DT, it is also possible to acquire a two-dimensional image FT on the same line of sight for the same object as necessary. As such a three-dimensional measuring device 16, for example, a known device disclosed in JP-A-10-206132 can be used.

また、対象物の3次元データDTを取得する公知の他の方法として、対象物に対して視差を有して配置された複数のカメラを用いる方法などがある。それらのカメラから得られた視差を有する複数の画像から、立体写真法を用いて3次元データDTを演算により求めることができる。   As another known method for acquiring the three-dimensional data DT of the object, there is a method using a plurality of cameras arranged with parallax with respect to the object. From a plurality of images having parallax obtained from these cameras, three-dimensional data DT can be obtained by calculation using a stereoscopic photography method.

この方法では、例えば3台のカメラを用いることにより、3次元データDTの各点の信頼性を判定するためのデータをも同時に取得することができる。すなわち、3台のカメラによる多眼視によって対象物を撮影し、3枚の画像を得る。これら3枚の画像について、互いの対応点を探索する。2枚の画像についての対応点に基づいて、3次元データDTが公知の計算により求められる。他の1枚の画像は、信頼性データDRを得るのに利用される。   In this method, for example, by using three cameras, data for determining the reliability of each point of the three-dimensional data DT can be acquired simultaneously. That is, an object is photographed by multi-viewing with three cameras, and three images are obtained. For these three images, the corresponding points are searched for. Based on the corresponding points for the two images, the three-dimensional data DT is obtained by a known calculation. The other image is used to obtain the reliability data DR.

例えば、図10に示すように、3台のカメラA,B,Cを用い、対象物Qを撮影して3枚の画像FA,FB,FCを取得する。各画像FA,FB,FCについて、それぞれの画像面(un ,vn )が示されている(n=1,2,3)。3次元空間Mにある対象物Q上の点QPが、各画像面上の点PA,PB,PCに投影されている。   For example, as shown in FIG. 10, three cameras A, B, and C are used to photograph the object Q to obtain three images FA, FB, and FC. For each image FA, FB, FC, the respective image planes (un, vn) are shown (n = 1, 2, 3). A point QP on the object Q in the three-dimensional space M is projected onto points PA, PB, and PC on each image plane.

ここで、点PA,PB,PCの対応が求まるとすると、それらの対応から、3次元空間M’を再構成することができる。3次元空間M’において、点PA,PBに対応する点QP’が求まる。理想的には、この再構成された3次元空間M’上の点QP’を画像面(u3 ,v3 )に逆投影した点PC’と、元の3次元空間M上の点QPを画像面(u3 ,v3 )上に投影した点PCとは、一致するはずである。   Here, if the correspondence between the points PA, PB, and PC is obtained, the three-dimensional space M ′ can be reconstructed from these correspondences. In the three-dimensional space M ′, a point QP ′ corresponding to the points PA and PB is obtained. Ideally, the point PC ′ obtained by back projecting the reconstructed point QP ′ on the three-dimensional space M ′ onto the image plane (u 3, v 3) and the original point QP on the three-dimensional space M are displayed on the image plane. It should coincide with the point PC projected onto (u3, v3).

しかし、投影変換を正確に求めることは難しく、また対応を正確に求めることも難しいため、通常、これらは一致しない。そこで、これら点PC’と点PCとのずれを誤差とし、信頼性の指標として用いる。   However, since it is difficult to accurately determine the projection transformation and it is difficult to accurately determine the correspondence, they usually do not match. Therefore, the deviation between the point PC ′ and the point PC is taken as an error and used as an index of reliability.

例えば、点PC’と点PCとの誤差を、ずれた画素の数で示す。点PC’と点PCとが同じ画素上にあれば、誤差は「0」である。1画素ずれていれば、誤差は「1」である。2画素ずれていれば、誤差は「2」である。このずれた画素数を信頼性データDRとして用いることができる。   For example, the error between the point PC ′ and the point PC is indicated by the number of shifted pixels. If the point PC ′ and the point PC are on the same pixel, the error is “0”. If it is shifted by one pixel, the error is “1”. If it is shifted by two pixels, the error is “2”. This shifted pixel number can be used as the reliability data DR.

信頼性データDRを判断する他の方法として、例えば特開昭61−125686号に示される方法、その他の公知の方法を用いることも可能である。モデリング装置1は、パーソナルコンピュータまたはワークステーションなどを用いて構成することが可能である。上に述べたプログラムおよびデータは、ネットワークNWを介して受信することにより取得することも可能である。   As another method for determining the reliability data DR, for example, a method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-125686 and other known methods can be used. The modeling apparatus 1 can be configured using a personal computer or a workstation. The programs and data described above can also be obtained by receiving via the network NW.

次に、モデリング装置1の全体の処理の流れについて、フローチャートを参照しながら説明する。   Next, an overall processing flow of the modeling apparatus 1 will be described with reference to a flowchart.

図2はモデリング装置1の全体の処理の流れを示すフローチャート、図3は変形処理を示すフローチャート、図4は標準モデルDS1の例を示す図、図5は対象物から3次元データDTを取得する様子を示す図、図6(A)(B)は概略の位置合わせの様子を示す図、図7は輪郭および特徴点の抽出処理の様子を示す図、図8は標準モデルDSの面Sと3次元データDTの点Pとを模式的に示す図、図9は標準モデルDSの異常変形を防ぐための仮想バネを説明するための図、図10は対象物の3次元データDTおよび信頼性データDRを取得する方法の例を説明する図である。
〔標準モデルの準備〕
図2において、まず、対象物についての標準モデルDSを準備する(#11)。本実施形態では対象物が人の頭部であるので、種々のサイズおよび形状を有した、頭部の全周についての複数の標準モデル群の中から、対象物の頭部に最もよく似た標準モデルDS1を準備する。
2 is a flowchart showing the overall processing flow of the modeling apparatus 1, FIG. 3 is a flowchart showing the deformation processing, FIG. 4 is a diagram showing an example of the standard model DS1, and FIG. 5 is to acquire three-dimensional data DT from the object. FIGS. 6A and 6B are diagrams showing a schematic alignment, FIG. 7 is a diagram showing a contour and feature point extraction process, and FIG. 8 is a diagram showing the surface S of the standard model DS. FIG. 9 is a diagram schematically illustrating a point P of the three-dimensional data DT, FIG. 9 is a diagram for explaining a virtual spring for preventing abnormal deformation of the standard model DS, and FIG. 10 is a three-dimensional data DT and reliability of an object. It is a figure explaining the example of the method of acquiring data DR.
[Preparation of standard model]
In FIG. 2, first, a standard model DS for an object is prepared (# 11). In this embodiment, since the object is a human head, it is most similar to the head of the object from among a plurality of standard model groups with various sizes and shapes for the entire circumference of the head. A standard model DS1 is prepared.

標準モデルDSは、ポリゴンで定義された3次元形状モデル、または自由曲面で定義された3次元形状モデルのいずれでもよい。ポリゴンで定義された3次元形状モデルである場合は、各ポリゴンの頂点の3次元座標によって表面の形状が決まる。自由曲面で定義された3次元形状モデルである場合は、曲面を定義する関数、および各制御点の座標によって表面の形状が決まる。   The standard model DS may be either a three-dimensional shape model defined by polygons or a three-dimensional shape model defined by free-form surfaces. In the case of a three-dimensional shape model defined by polygons, the surface shape is determined by the three-dimensional coordinates of the vertices of each polygon. In the case of a three-dimensional shape model defined by a free-form surface, the shape of the surface is determined by the function that defines the surface and the coordinates of each control point.

なお、ポリゴンで定義された3次元形状モデルである場合に、各ポリゴンの頂点を「構成点」と記載する。また、標準モデルDSのフィッティングに際して、標準モデルを変形するために用いられる点を「制御点」と呼称する。制御点とポリゴンの構成点との位置関係は任意であり、制御点はポリゴンの面上に設定されていてもよく、ポリゴンの面から離れて設定されていてもよい。1つの制御点は複数の構成点(3〜100程度)と関連付けられており、制御点の動きに合わせて関連付けられた構成点が移動する。標準モデルDSのフィッティングに際しては、これら複数の制御点を移動させることによって標準モデルDS全体を変形する。3次元形状モデルが自由曲面で定義されている場合も、フィッティングに使用する制御点の配置は任意である。   In the case of a three-dimensional shape model defined by polygons, the vertices of each polygon are described as “component points”. In addition, when fitting the standard model DS, a point used to deform the standard model is referred to as a “control point”. The positional relationship between the control points and the constituent points of the polygon is arbitrary, and the control points may be set on the surface of the polygon or may be set away from the surface of the polygon. One control point is associated with a plurality of component points (about 3 to 100), and the associated component point moves in accordance with the movement of the control point. When fitting the standard model DS, the entire standard model DS is deformed by moving these control points. Even when the three-dimensional shape model is defined by a free-form surface, the arrangement of control points used for fitting is arbitrary.

制御点は、目尻、唇端などのように細かな形状を持つ部分、および、鼻、唇などのように急激な形状の変化を持つ部分には、高い密度で配置される。それ以外の部分には一様に配置される。   Control points are arranged at a high density in portions having fine shapes such as the corners of the eyes and lips, and in portions having rapid shape changes such as the nose and lips. The other portions are uniformly arranged.

標準モデルDSには、ある方向から見た特徴的な輪郭RKおよび特徴点TTが設定される。輪郭RKとして、例えば、目、鼻、口、または顎などに、瞼のライン、鼻のライン、唇のライン、または顎のラインなどが設定される。特徴点TTとして、例えば、目や口の端部、鼻の頂部、顎の下端部のように、実際に特徴のある部分、または、それらの中間のようなそれ自体では特徴はないが位置的に特定し易い部分などが選ばれる。   In the standard model DS, a characteristic contour RK and a characteristic point TT viewed from a certain direction are set. As the contour RK, for example, a wrinkle line, a nose line, a lip line, or a chin line is set for the eyes, nose, mouth, or jaw. As the feature point TT, for example, there is an actual characteristic part such as the end of the eye or mouth, the top of the nose, the lower end of the chin, or the middle of them, but there is no feature. A part that is easy to specify is selected.

図4に示す標準モデルDS1では、顎のライン、唇のライン、および瞼のラインが輪郭RK1〜3として設定されている。図4で分かるように、輪郭RK1は、標準モデルDS1をある方向から見たときに、その縁線となる部分である。また、図4に示す標準モデルDS1では、設定された特徴点TTの一部のみが実際に図に表されている。
〔3次元データの取得〕
次に、対象物の3次元計測を行い、3次元データDTを取得する(#12)。その際に、対象物の2次元画像FTをも同時に取得しておく。また、上に述べたように、3次元データDTの各点についての信頼性を示す信頼性データDR、または信頼性データDRを得るための情報を必要に応じて取得しておく。
In the standard model DS1 shown in FIG. 4, chin lines, lip lines, and heel lines are set as contours RK1 to RK3. As can be seen in FIG. 4, the contour RK1 is a portion that becomes an edge when the standard model DS1 is viewed from a certain direction. In the standard model DS1 shown in FIG. 4, only a part of the set feature points TT is actually shown in the figure.
[Acquisition of 3D data]
Next, three-dimensional measurement of the object is performed to obtain three-dimensional data DT (# 12). At that time, a two-dimensional image FT of the object is also acquired at the same time. Further, as described above, the reliability data DR indicating the reliability of each point of the three-dimensional data DT or information for obtaining the reliability data DR is acquired as necessary.

例えば、図5に示すように、3次元計測装置16を用いて、対象物である人の頭部を計測(撮影)する。これによって、3次元データDTおよび2次元画像FTが取得される。   For example, as shown in FIG. 5, a three-dimensional measuring device 16 is used to measure (capture) a human head that is an object. Thereby, the three-dimensional data DT and the two-dimensional image FT are acquired.

なお、対象物を計測して得た3次元データDTおよび/または2次元画像FTを、「計測データ」と記載することがある。標準モデルDSの準備と3次元データDTの取得とはいずれが先でもよく、並行して進めてもよい。
〔概略の位置合わせ〕標準モデルDSと3次元データDTとの概略の位置合わせを行う(#13)。この処理では、標準モデルDSと3次元データDTとが概略一致するように、標準モデルDSの向き、サイズ、および位置を変更する。このとき、標準モデルDSを、X,Y,Zのそれぞれの方向に個別に任意の倍率に偏倍することにより、それぞれの方向のサイズを3次元データDTによく合わせることができる。
Note that the three-dimensional data DT and / or the two-dimensional image FT obtained by measuring the object may be referred to as “measurement data”. Either the preparation of the standard model DS or the acquisition of the three-dimensional data DT may be performed first or in parallel.
[Rough alignment] Rough alignment between the standard model DS and the three-dimensional data DT is performed (# 13). In this process, the orientation, size, and position of the standard model DS are changed so that the standard model DS and the three-dimensional data DT substantially match. At this time, the size of each standard model DS can be matched to the three-dimensional data DT by scaling the standard model DS individually to an arbitrary magnification in each of the X, Y, and Z directions.

例えば、図6(A)に示すように、3次元データDTに対して、標準モデルDSを回転させ且つ各方向に偏倍することにより、図6(B)に示すように、3次元データDTとほぼ同じサイズの標準モデルDSaを得ることができる。なお、わかりやすくするために、図面上では位置を合わせていないものを示す。   For example, as shown in FIG. 6A, by rotating the standard model DS and scaling in each direction with respect to the three-dimensional data DT as shown in FIG. And a standard model DSa of approximately the same size can be obtained. In addition, in order to make it intelligible, the thing which is not adjusting the position on drawing is shown.

概略の位置合わせの手法として、次に説明するように、(1)全体的概略位置合わせ、(2)局所的概略位置合わせ、の2つの手法がある。これらの手法のうち、(1)の手法は自動で行うことができる。(2)の手法は、その中の特徴点抽出を自動で行うことが困難であるので、一部手動で行う必要がある。概略位置合わせ後のフィッティングでは基本的に標準モデルDSの局所的な変形が行われることになるため、形状が合うことを重視する場合には(1)の手法が好適であり、アニメーションのように形状よりも位置が合って欲しいという場合には(2)の手法が好適である。また、特徴点抽出を行うことに慣れたユーザであれば、処理時間を短縮するために(2)の手法を用いることは効果的である。
〔全体的概略位置合わせ〕
全体的概略位置合わせでは、3次元データDTと標準モデルDSとの距離を最小とするように、標準モデルDSの位置、方向、およびサイズを変更する。
As a method of rough alignment, as described below, there are two methods: (1) overall rough alignment and (2) local rough alignment. Among these methods, the method (1) can be automatically performed. In the method (2), it is difficult to automatically extract feature points in the method, and therefore, it is necessary to perform a part manually. In the fitting after the rough alignment, the standard model DS is basically locally deformed. Therefore, the method (1) is suitable when importance is attached to the shape, like an animation. The method (2) is preferable when the position is desired to match the shape. Further, if the user is accustomed to performing feature point extraction, it is effective to use the method (2) in order to shorten the processing time.
[Overall approximate alignment]
In the overall approximate alignment, the position, direction, and size of the standard model DS are changed so that the distance between the three-dimensional data DT and the standard model DS is minimized.

すなわち、次の(1)式に示すエネルギー関数e(si,αi,ti)が最小となるsi,αi,tiを導く。なお、f(si,αi,ti)は、3次元データDTと標準モデルDSとの距離に関連して定義されるエネルギー関数である。g(si)は、過剰な変形を避けるための安定化エネルギー関数である。   That is, si, αi, ti that minimizes the energy function e (si, αi, ti) shown in the following equation (1) is derived. Note that f (si, αi, ti) is an energy function defined in relation to the distance between the three-dimensional data DT and the standard model DS. g (si) is a stabilization energy function for avoiding excessive deformation.

また、3次元計測装置16によって3次元データDTを取得する際に同時に取得した2次元画像FTを用い、2次元画像FT上でのパターンマッチングを用いて、位置、方向、およびサイズの初期値を与えてもよい。   In addition, using the two-dimensional image FT acquired at the same time when the three-dimensional measuring device 16 acquires the three-dimensional data DT, using the pattern matching on the two-dimensional image FT, the initial values of position, direction, and size are set. May be given.

Figure 2011008816
Figure 2011008816

但し、
K:3次元データの構成点の個数
dk :3次元データの構成点と標準モデルの表面との距離
Wsc:偏倍安定化のウエイトパラメータ
S0 :初期スケール
Si :各方向の偏倍量(但し、S3 は奥行き方向である)
αi :標準モデルの各方向の回転
ti :標準モデルの各方向への移動量
ここで、標準モデルDS上の構成点は次の(2)式にしたがって移動し、それにともなって、3次元データDTの構成点と標準モデルDSの表面との間の距離dk が変化する。
However,
K: Number of constituent points of three-dimensional data dk: Distance between constituent points of three-dimensional data and standard model surface Wsc: Weight parameter for scaling stabilization S0: Initial scale Si: Amount of scaling in each direction (however, S3 is the depth direction)
αi: rotation of the standard model in each direction ti: movement amount of the standard model in each direction Here, the constituent points on the standard model DS move according to the following equation (2), and accordingly, the three-dimensional data DT The distance dk between the composing point and the surface of the standard model DS changes.

Figure 2011008816
Figure 2011008816

また、3次元計測装置16による計測(撮影)が一方向からに限られる場合に、奥行き方向(Z方向)の偏倍量が正確に得られない場合がある。その場合には、3次元データDTの形状と標準モデルDSの形状に大きな違いはないとみなし、次の(3)式に示すように、X,Y方向の偏倍量(S1,S2 )によってZ方向の偏倍量(S3 )を補正する方法も考えられる。   In addition, when the measurement (photographing) by the three-dimensional measuring device 16 is limited from one direction, the amount of magnification in the depth direction (Z direction) may not be obtained accurately. In that case, it is considered that there is no significant difference between the shape of the three-dimensional data DT and the shape of the standard model DS, and as shown in the following equation (3), it depends on the amount of magnification (S1, S2) in the X and Y directions. A method of correcting the amount of magnification (S3) in the Z direction is also conceivable.

Figure 2011008816
Figure 2011008816

但し、
γ:視線方向x3 変形分へのウエイトパラメータ
〔局所的概略位置合わせ〕
上に述べた全体的概略位置合わせを自動で行った場合に、それがうまく合わなかったときに、手動で合わせることとなるが、ここに述べる局所的概略位置合わせは、手動での位置合わせの際にできるだけ簡単に行うための手法である。なお、自動でうまくいかなかった分は一旦リセットし、初めから手動でやり直す。
However,
γ: Line-of-sight direction x3 Weight parameter for deformation (local approximate alignment)
If the overall rough alignment described above is performed automatically and it does not fit well, it will be manually aligned. However, the local rough alignment described here is a manual alignment. It is a technique to do as easily as possible. In addition, the part which did not work automatically is reset once, and it starts it manually from the beginning.

局所的概略位置合わせでは、3次元データDT上の特徴的な線または点と、標準モデルDS上の特徴的な線または点とを対応づけ、それらの距離を最小にするように標準モデルDSの位置、方向、およびサイズを変更する。なお、線と線とを対応付けた場合は、一方の線上の点とその点から他方の線上へ降ろした垂線のうち最短となる点とを特徴点とし、線上でこれらの点を複数点取得するものとする。   In the local approximate alignment, the characteristic line or point on the three-dimensional data DT and the characteristic line or point on the standard model DS are associated with each other so that the distance between them is minimized. Change position, direction, and size. When lines are associated with each other, the feature point is the point on one line and the shortest of the perpendiculars drawn from that point onto the other line, and multiple points are obtained on the line. It shall be.

すなわち、3次元データDT上の特徴点とそれに対応する標準モデルDS上の特徴点との距離に対して、次の(4)式に示すエネルギー関数E(si,αi,ti)が最小となるように、標準モデルDSのti,αi,siを導く。   That is, the energy function E (si, αi, ti) shown in the following equation (4) is minimized with respect to the distance between the feature point on the three-dimensional data DT and the corresponding feature point on the standard model DS. Thus, ti, αi, and si of the standard model DS are derived.

Figure 2011008816
Figure 2011008816

但し、
k:対応する特徴点の個数
Mk :位置合わせ後の標準モデル上の特徴点
x:位置合わせ前の標準モデル上の特徴点
Ck :3次元データ上の特徴点
Si :標準モデルの各方向の偏倍量
αi :標準モデルの各方向の回転
ti :標準モデルの各方向への移動量
また、3次元計測装置16による計測(撮影)が一方向からに限られる場合に、奥行き方向(Z方向)のスケールが正確に得られない場合がある。その場合には、上に述べた全体的概略位置合わせの場合と同様に、次の(5)式を用いてZ方向のスケールを補正する方法が考えられる。
However,
k: number of corresponding feature points Mk: feature points on the standard model after alignment x: feature points on the standard model before alignment Ck: feature points on the three-dimensional data Si: deviation in each direction of the standard model Double amount αi: Rotation of standard model in each direction ti: Amount of movement of standard model in each direction When the measurement (photographing) by the three-dimensional measuring device 16 is limited from one direction, the depth direction (Z direction) The scale of may not be obtained accurately. In that case, a method of correcting the scale in the Z direction using the following equation (5) is conceivable as in the case of the overall rough alignment described above.

Figure 2011008816
Figure 2011008816

〔輪郭・特徴点の抽出〕
3次元データDTまたは2次元画像FT上に、輪郭および特徴点を抽出する(#14)。標準モデルDSについての輪郭RKおよび特徴点TTを予め抽出しておいた場合には、それらと同じ位置に配置されるべき輪郭および特徴点を、3次元データDT上に、またはそれに対応する2次元画像上に配置する(図7参照)。
[Extraction of contour and feature points]
Outlines and feature points are extracted on the three-dimensional data DT or the two-dimensional image FT (# 14). When the contour RK and the feature point TT for the standard model DS have been extracted in advance, the contour and the feature point to be arranged at the same position as the contour RK and the feature point TT are displayed on the three-dimensional data DT or the corresponding two-dimensional They are arranged on the image (see FIG. 7).

標準モデルDSについての輪郭RKおよび特徴点TTが予め抽出されていない場合には、3次元データDT上または2次元画像上への配置と合わせて標準モデルDS上でも指定する。
〔データ削減〕
次に、計算量および誤差を削減するために、3次元データDTについてデータの削減を行い、必要且つ信頼性の高いデータのみを取り出す(#15)。データの削減を行うことによって、元の3次元データDTの形状を崩すことなく、計算量を減らすことができる。
When the contour RK and the feature point TT are not extracted in advance for the standard model DS, they are also specified on the standard model DS together with the arrangement on the three-dimensional data DT or the two-dimensional image.
[Data reduction]
Next, in order to reduce the calculation amount and the error, data is reduced for the three-dimensional data DT, and only necessary and reliable data is extracted (# 15). By reducing the data, the calculation amount can be reduced without destroying the shape of the original three-dimensional data DT.

データの削減に当たって、例えば、対象物の領域外のデータを除外し、不要なデータを除く。例えば、2次元画像FTから顔の領域を判別し、その領域に対応した3次元データDTのみを残す。あるいは、対象物と背景との間の距離の相違を用いて領域を判別する。また、概略位置合わせの情報を用いて、顔の領域を抽出するなどの各種の方法がある。また、3次元データDTに信頼性データDRがある場合には、信頼性の高いもののみを残す。近隣にデータが多い場合はそのデータを間引き、密度を平均化する。   In reducing the data, for example, data outside the object area is excluded and unnecessary data is excluded. For example, the face area is determined from the two-dimensional image FT, and only the three-dimensional data DT corresponding to the area is left. Alternatively, the region is determined using the difference in distance between the object and the background. In addition, there are various methods such as extracting a face region using the information on the approximate alignment. If the three-dimensional data DT includes the reliability data DR, only the highly reliable data is left. If there are many data in the neighborhood, the data is thinned out and the density is averaged.

データを間引いて密度を平均化する場合は、次の(6)式で示される条件を満たす3次元データDTのみを採用する。   When the density is averaged by thinning out data, only the three-dimensional data DT that satisfies the condition expressed by the following equation (6) is employed.

Figure 2011008816
Figure 2011008816

但し、
Pk :構成点
P〜r :既に採用された構成点
Rdet (x) :構成点xの周囲の密度を表す関数
上の(6)式によると、注目されているデータPkについて、それまでに採用されて残っているデータPrとの間の距離が一定以上であれば、そのデータPkを採用する。
〔変形〕
標準モデルDS全体の変形が行われる(#16)。ここでは、3次元データDTの各構成点と標準モデルDSの面との間の距離に関連して定義されたエネルギー関数e1 を用いるとともに、それに加えて、標準モデルDSの特徴点と3次元データDTに対して指定された特徴点との間の距離に関連して定義されるエネルギー関数e3 、標準モデルDSの輪郭と3次元データDTに対して指定された輪郭との間の距離に関連して定義されるエネルギー関数e2 、および、過剰な変形を回避するために定義されたエネルギー関数es を用い、それらを総合したエネルギー関数eを評価し、総合のエネルギー関数eが最小となるように標準モデルDSの面を変形させる。
However,
Pk: Composition point Pr: Already adopted composition point Rdet (x): Function representing the density around the composition point x According to the above equation (6), the data Pk of interest has been adopted so far If the distance to the remaining data Pr is greater than a certain value, the data Pk is adopted.
[Deformation]
The entire standard model DS is deformed (# 16). Here, the energy function e1 defined in relation to the distance between each constituent point of the three-dimensional data DT and the surface of the standard model DS is used, and in addition, the feature points of the standard model DS and the three-dimensional data are used. Energy function e3 defined in relation to the distance between the feature points specified for DT, related to the distance between the contour of the standard model DS and the contour specified for the three-dimensional data DT. The energy function e2 defined in order to avoid excessive deformation and the energy function es defined to avoid excessive deformation are used to evaluate the combined energy function e so that the total energy function e is minimized. The surface of the model DS is deformed.

なお、総合のエネルギー関数eとして、e1,e2,e3,esの4つの関数を用いるのが一番望ましいが、e1〜e3のうち任意の2つだけを用いることも可能である。
次に、各エネルギー関数について順次説明する。
〔標準モデルと3次元データとの距離〕
図8において、3次元データDTを構成する点群の1つが点Pkで示されている。標準モデルDSの面Sにおいて、点Pkに最も近い点がQkで示されている。点Qkは、点Pkから面Sに垂線を下ろしたときの交点である。ここでは、点Pkと点Qkとの距離が評価される。
It is most preferable to use four functions e1, e2, e3, and es as the total energy function e, but it is also possible to use only two of e1 to e3.
Next, each energy function will be described sequentially.
[Distance between standard model and 3D data]
In FIG. 8, one of the point groups constituting the three-dimensional data DT is indicated by a point Pk. On the surface S of the standard model DS, the point closest to the point Pk is indicated by Qk. The point Qk is an intersection when a perpendicular is drawn from the point Pk to the surface S. Here, the distance between the point Pk and the point Qk is evaluated.

すなわち、3次元データDTの各点と標準モデルDSの面との差分エネルギーe1 は、データ削減後の3次元データDT上の点Pkと、それを標準モデルDSの面S上に投影した点Qkとの二乗距離を用いて、次の(7)式によって算出される。   That is, the difference energy e1 between each point of the three-dimensional data DT and the surface of the standard model DS is a point Pk on the three-dimensional data DT after data reduction and a point Qk obtained by projecting the point Pk on the surface S of the standard model DS. Is calculated by the following equation (7).

Figure 2011008816
Figure 2011008816

但し、
T1A:制御点群
Pk :削減後の3次元データの構成点
Qk :構成点からモデル表面への投影点
K:削減後の構成点の個数
dk :構成点からモデル表面への投影方向,
dk =(Qk-Pk )/|Qk-Pk |
ρk :構成点Pk の信頼性
w(ρk):信頼性関数,w(ρk)=1/(α+ρk )n
W:Σw(ρk)
L:種々のエネルギーを同一単位で扱うための調整用スケール
〔標準モデル上の輪郭と計測データ上の輪郭との距離〕
ここでは、3次元データDT上に指定された輪郭RK、または2次元画像FT上に指定された輪郭RKと、標準モデルDS上の輪郭RKとの距離が評価される。
However,
T1A: Control point group Pk: Composition point of 3D data after reduction Qk: Projection point from composition point to model surface K: Number of composition points after reduction dk: Projection direction from composition point to model surface,
dk = (Qk-Pk) / | Qk-Pk |
ρk: Reliability of the component point Pk
w (ρk): reliability function, w (ρk) = 1 / (α + ρk) n
W: Σw (ρk)
L: Scale for adjustment to handle various energies in the same unit [distance between contour on standard model and contour on measurement data]
Here, the distance between the contour RK designated on the three-dimensional data DT or the contour RK designated on the two-dimensional image FT and the contour RK on the standard model DS is evaluated.

計測データの輪郭RKが3次元データDT上に指定される場合は、3次元データDTの輪郭RK上の点から標準モデルDS上の対応する輪郭RKへ垂線を降ろし、その垂線のうち最短のものを距離とする。なお、輪郭RK上では複数の点を指定する。   When the contour RK of the measurement data is specified on the three-dimensional data DT, a perpendicular is dropped from a point on the contour RK of the three-dimensional data DT to the corresponding contour RK on the standard model DS, and the shortest of the perpendiculars Is the distance. A plurality of points are designated on the contour RK.

計測データの輪郭RKが2次元画像FT上に指定される場合は、2次元画像FTを撮影したカメラについてのカメラパラメータを用い、標準モデルDSの輪郭RKを2次元画像FT上に投影する。2次元画像FTの輪郭RK上の点から、標準モデルDSの対応する輪郭RKへ垂線を降ろし、その垂線のうち最短のものを距離とする。なお、輪郭RK上では複数の点を指定する。   When the contour RK of the measurement data is designated on the two-dimensional image FT, the contour RK of the standard model DS is projected on the two-dimensional image FT using the camera parameters for the camera that captured the two-dimensional image FT. A perpendicular is dropped from a point on the contour RK of the two-dimensional image FT to the corresponding contour RK of the standard model DS, and the shortest one of the perpendiculars is taken as a distance. A plurality of points are designated on the contour RK.

計測データの輪郭RKが3次元データDT上に指定される場合に、標準モデルDSの輪郭RK毎の差分エネルギーe2 は、それらの距離の二乗和を用いて次の(8)式によって計算される。   When the contour RK of the measurement data is specified on the three-dimensional data DT, the difference energy e2 for each contour RK of the standard model DS is calculated by the following equation (8) using the sum of squares of the distances. .

Figure 2011008816
Figure 2011008816

但し、
T2A:制御点群
pk :3次元データ上の輪郭点
qk :3次元データ上の輪郭点から対応するモデル輪郭への垂足点
n:1つのモデル輪郭に対応が付けられている3次元データの輪郭点数
k :計測データの輪郭点から対応するモデル輪郭線への投影方向,
k =(qk-pk )/|qk-pk |
l:種々のエネルギーを同一単位で扱うための調整用スケール
計測データの輪郭RKが2次元画像FT上に指定される場合に、標準モデルDSの輪郭RK毎の差分エネルギーe2 ’は次の(9)式によって計算される。
However,
T2A: control point group pk: contour point on 3D data qk: droop point from contour point on 3D data to corresponding model contour n: 3D data corresponding to one model contour Number of contour points d k : Projection direction from contour point of measurement data to corresponding model contour line,
d k = (qk-pk) / | qk-pk |
l: Adjustment scale for handling various energies in the same unit When the contour RK of the measurement data is specified on the two-dimensional image FT, the difference energy e2 ′ for each contour RK of the standard model DS is expressed by the following (9 ).

Figure 2011008816
Figure 2011008816

但し、
T2A:制御点群
pk :2次元画像上の輪郭点
qk :2次元画像上の輪郭点から2次元画像上に投影された対応するモデル輪郭への垂 足点
n:1つのモデル輪郭に対応が付けられている計測データの輪郭点数
k :2次元画像上の輪郭点から対応するモデル輪郭への投影方向,
k =(qk-pk )/|qk-pk |
l:種々のエネルギーを同一単位で扱うための調整用スケール
計測データの輪郭RKを2次元画像FT上で指定する理由は、例えば3次元データDTがあいまいな場合に、3次元データDT上に輪郭RKを指定すると輪郭RKそのものが不正確となるからである。したがって、それに代えて2次元画像FTを用いて輪郭RKを抽出するのである。
〔標準モデル上の特徴点と対応した計測データ上の特徴点との距離〕
計測データ上に特徴点TTを設定することにより、3次元データDT上に指定された特徴点TT、または2次元画像FT上に指定された特徴点TTと、標準モデルDS上の特徴点との距離が評価される。
However,
T2A: control point group pk: contour point on 2D image qk: droop point from corresponding contour point on 2D image to corresponding model contour projected on 2D image n: corresponding to one model contour Number of contour points of measurement data attached d k : Projection direction from contour point on two-dimensional image to corresponding model contour,
d k = (qk-pk) / | qk-pk |
l: Adjustment scale for handling various energies in the same unit The reason for designating the contour RK of the measurement data on the two-dimensional image FT is, for example, when the three-dimensional data DT is ambiguous, the contour on the three-dimensional data DT This is because if the RK is specified, the contour RK itself becomes inaccurate. Therefore, the contour RK is extracted using the two-dimensional image FT instead.
[Distance between feature points on standard model and feature points on measurement data]
By setting the feature point TT on the measurement data, the feature point TT specified on the three-dimensional data DT or the feature point TT specified on the two-dimensional image FT and the feature point on the standard model DS The distance is evaluated.

3次元データDT上の特徴点TTと標準モデルDS上の特徴点TTとの差分エネルギーe3 は、対応する特徴点TTの二乗距離を用いて次の(10)式によって計算される。
なお、2次元画像FT上に特徴点TTを指定した場合は、カメラパラメータを用いて標準モデルDSの特徴点TTを2次元画像FT上に投影し、2次元画像FT上での差分エネルギーを計算する。
The difference energy e3 between the feature point TT on the three-dimensional data DT and the feature point TT on the standard model DS is calculated by the following equation (10) using the square distance of the corresponding feature point TT.
When the feature point TT is specified on the two-dimensional image FT, the feature point TT of the standard model DS is projected on the two-dimensional image FT using the camera parameters, and the difference energy on the two-dimensional image FT is calculated. To do.

Figure 2011008816
Figure 2011008816

但し、
T3A:制御点群
Fk :計測データの特徴点
Gk :計測データの特徴点に対応する標準モデル上の特徴点
N:計測データの特徴点と標準モデル上の特徴点との対応数
L:種々のエネルギーを同一単位で扱うための調整用スケール
〔過剰な変形を回避するための安定化エネルギー〕
上に述べた差分のエネルギーに加え、過剰な変形を回避するための安定化エネルギーes が導入される。
However,
T3A: Control point group Fk: Feature point of measurement data Gk: Feature point on standard model corresponding to feature point of measurement data N: Number of correspondence between feature point of measurement data and feature point on standard model L: Various Adjustment scale for handling energy in the same unit (stabilization energy to avoid excessive deformation)
In addition to the differential energy described above, a stabilization energy es is introduced to avoid excessive deformation.

すなわち、変形に用いられる制御点の間が、図9に示す仮想バネ(elastic bar) KBによってつながれているものとする。仮想バネKBの制約に基づいて、標準モデルDSの面Sの形状の安定化のための安定化エネルギーes が定義される。   That is, it is assumed that the control points used for the deformation are connected by the virtual spring (elastic bar) KB shown in FIG. Based on the constraint of the virtual spring KB, a stabilization energy es for stabilizing the shape of the surface S of the standard model DS is defined.

なお、仮想バネは必ずしも制御点間に張られている必要はない。制御点と仮想バネとの関係が明確であればよい。   The virtual spring does not necessarily have to be stretched between the control points. It is sufficient if the relationship between the control point and the virtual spring is clear.

図9において、フィッティング対象である標準モデルDSの面Sの一部が示されている。面Sは、制御点群U=|ui,i=1…N|で形成されている。隣接する制御点間には、仮想バネKBが配置されている。仮想バネKBは、制御点間に引っ張り力による拘束を与え、面Sの異常変形を防ぐ働きをする。   In FIG. 9, a part of the surface S of the standard model DS to be fitted is shown. The surface S is formed by the control point group U = | ui, i = 1... N | A virtual spring KB is disposed between adjacent control points. The virtual spring KB acts to prevent abnormal deformation of the surface S by giving a restraint between the control points by a pulling force.

つまり、隣接する制御点uの間隔が大きくなった場合に、それに応じて仮想バネKBによる引っ張り力が大きくなる。例えば、点Qkが点Pkに近づく場合に、その移動にともなって制御点uの間隔が大きくなると、仮想バネKBによる引っ張り力が増大する。点Qkが移動しても制御点uの間隔が変わらなければ、つまり制御点u間の相対位置関係に変化がなければ、仮想バネKBによる引っ張り力は変化しない。仮想バネKBによる引っ張り力を面Sの全体について平均化したものを、安定化エネルギーes として定義する。したがって、面Sの一部が突出して変形した場合に安定化エネルギーes は増大する。面Sの全体が平均して移動すれば安定化エネルギーes は零である。   That is, when the interval between adjacent control points u increases, the pulling force by the virtual spring KB increases accordingly. For example, when the point Qk approaches the point Pk, if the distance between the control points u increases with the movement, the pulling force by the virtual spring KB increases. Even if the point Qk moves, if the distance between the control points u does not change, that is, if the relative positional relationship between the control points u does not change, the pulling force by the virtual spring KB does not change. A value obtained by averaging the pulling force by the virtual spring KB over the entire surface S is defined as a stabilization energy es. Therefore, the stabilization energy es increases when a part of the surface S protrudes and deforms. If the entire surface S moves on average, the stabilization energy es is zero.

安定化エネルギーes は、仮想バネKBの変形の状態により、次の(11)式により求められる。   The stabilization energy es is obtained by the following equation (11) depending on the deformation state of the virtual spring KB.

Figure 2011008816
Figure 2011008816

但し、
TsA:制御点群
U〜m,V〜m :仮想バネの端点(制御点)の初期値
Um,Vm :変形後の仮想バネの端点
L0m:初期状態の仮想バネの長さ,
L0m=|U〜m −V〜m |
M:仮想バネの本数
c:バネ係数
L:種々のエネルギーを同一単位で扱うための調整用スケール
したがって、バネ係数cを大きくすると、仮想バネKBは硬くなって変形し難くなる。
However,
TsA: Control point group Um, Vm: Initial value of end point (control point) of virtual spring Um, Vm: End point of virtual spring after deformation L0m: Length of virtual spring in initial state,
L0m = | U ~ m -V ~ m |
M: Number of virtual springs c: Spring coefficient L: Adjustment scale for handling various energies in the same unit Therefore, when the spring coefficient c is increased, the virtual spring KB becomes hard and difficult to deform.

このような安定化エネルギー関数es を導入することにより、面Sの形状変化に一定の拘束を設けることとなり、面Sの過度の変形を防ぐことができる。
〔総合のエネルギー関数〕
上に述べたように、各エネルギー関数e1,e2,e3,e4 について、それぞれ制御点群T1A, T2A, T3A, TsAが用いられる。ここでは、これらの制御点群T1A〜TsAは同じであるが、後述するように互いに異ならせることができる。これら制御点群TAを用いて標準モデルDSの変形を行い、次の(12)式に示す総合エネルギー関数e(TA)を最小にする制御点群TAを求める。
By introducing such a stabilization energy function es, a constant constraint is provided for the shape change of the surface S, and excessive deformation of the surface S can be prevented.
[Total energy function]
As described above, the control point groups T1A, T2A, T3A, and TsA are used for the energy functions e1, e2, e3, and e4, respectively. Here, these control point groups T1A to TsA are the same, but can be different from each other as will be described later. Using these control point groups TA, the standard model DS is deformed to obtain a control point group TA that minimizes the total energy function e (TA) shown in the following equation (12).

Figure 2011008816
Figure 2011008816

但し、
e1(T1A): 3次元データの構成点とモデル表面との差分エネルギー
e2 s (T2A): モデル輪郭毎の計測データ上の輪郭との差分エネルギー
e3(T3A): 計測データの特徴点とモデル上の特徴点との差分エネルギー
es(TSA): 過剰な変形を回避するための安定化エネルギー
wi, c :それぞれのエネルギーのウエイトパラメータ
TA=T1A=T2A=T3A=TSA
〔繰り返し変形〕
実際には繰り返し変形を行う(#17)。つまり、制御点を動かして繰り返して変形を行う。n回目の変形後の総合エネルギー関数をen(TA)とすると、次の(13)式の条件が満たされたときに、総合エネルギー関数en (TA)が収束したと判断する。
However,
e1 (T1A): Difference energy between the constituent points of the 3D data and the model surface e2 s (T2A): Difference energy between the contours of the measured data for each model contour e3 (T3A): Feature points of the measured data and the model Energy es (TSA): Stabilization energy wi, c: Weight parameter for each energy TA = T1A = T2A = T3A = TSA
[Repeated deformation]
Actually, the deformation is repeatedly performed (# 17). That is, the control point is moved and repeatedly deformed. Assuming that the total energy function after the n-th deformation is en (TA), it is determined that the total energy function en (TA) has converged when the condition of the following equation (13) is satisfied.

Figure 2011008816
Figure 2011008816

さて、ここで、変形処理の全体的な流れを図3に沿って説明する。まず、計測データと標準モデルDSとの間で対応する点の組みを作成する(図8のPkとQk)(#21)。   Now, the overall flow of the deformation process will be described with reference to FIG. First, a pair of corresponding points is created between the measurement data and the standard model DS (Pk and Qk in FIG. 8) (# 21).

面Sを変形し(#22)、変形後の総合エネルギー関数en(TA)を計算する(#23)。総合エネルギー関数en(TA)が収束するまで(#24でイエス)、処理を繰り返す。   The surface S is deformed (# 22), and the total energy function en (TA) after deformation is calculated (# 23). The process is repeated until the total energy function en (TA) converges (Yes in # 24).

総合エネルギー関数en(TA)の収束を判定する方法として、上に述べたように総合エネルギー関数en(TA)が所定の値よりも小さくなったときを収束とする方法、前回の計算と比較べた変化の割合が所定値以下となったときに収束とする方法など、公知の方法を用いることが可能である。
〔異なる制御点の使用〕
上に述べた(12)式では、フィッティング対象(3次元データDTの構成点、輪郭RK、特徴点TT)がそれぞれ異なるエネルギー関数e1 〜e4 について、同じ制御点群を使用したが、ここに示す例は、フィッティング対象毎、すなわちエネルギー関数毎に異なる制御点群を用いる。つまり、制御点群T1A, T2A, T3A, TsAを互いに異ならせる。
As a method of judging the convergence of the total energy function en (TA), as described above, the method of convergence when the total energy function en (TA) becomes smaller than a predetermined value, and the previous calculation were compared. It is possible to use a known method such as a method of converging when the rate of change becomes a predetermined value or less.
[Use of different control points]
In the expression (12) described above, the same control point group is used for energy functions e1 to e4 having different fitting objects (composition points, contours RK, and feature points TT of the three-dimensional data DT). The example uses a different control point group for each fitting object, that is, for each energy function. That is, the control point groups T1A, T2A, T3A, TsA are made different from each other.

この場合には、総合エネルギー関数e(TA)として上に示した(12)式を用いることができる。但し、そこに用いられる制御点群T1A, T2A, T3A, TSAは、互いに異なっており、次に示す関係にある。   In this case, the above equation (12) can be used as the total energy function e (TA). However, the control point groups T1A, T2A, T3A, and TSA used there are different from each other and have the following relationship.

TA⊃T1A
TA⊃T2A
TA⊃T3A
TA=TSA
すなわち、上に述べたように、特徴点は点であるので、特徴点同士のエネルギーに対しては、局所的な動きになってしまう。例えば、3次元データDTと標準モデルDSとの目の位置を合わせようとするときに、特徴点TTが設定された部分のみが強く引っ張られ、いびつに変形する可能性がある。そのような場合に、全体的な動きとなるようにするのが好ましい。
TA⊃T1A
TA⊃T2A
TA⊃T3A
TA = TSA
That is, as described above, since the feature points are points, the local movement occurs with respect to the energy between the feature points. For example, when trying to match the positions of the eyes of the three-dimensional data DT and the standard model DS, there is a possibility that only the portion where the feature point TT is set is strongly pulled and deformed into an irregular shape. In such a case, it is preferable to make the movement as a whole.

一方、3次元データDTの構成点に対しては、目の横などは細かく動いてほしい。しかし、少数の制御点しか用いない場合には、構成点は細かく移動しない。そこで、3次元データDTの構成点については多数の制御点を用い、特徴点については少数の制御点を用いる。輪郭RKについてはその中間の量とする。   On the other hand, for the constituent points of the three-dimensional data DT, I want the side of the eyes to move finely. However, when only a small number of control points are used, the constituent points do not move finely. Therefore, a large number of control points are used for the constituent points of the three-dimensional data DT, and a small number of control points are used for the feature points. The contour RK is an intermediate amount.

例えば、輪郭RKが急激に変化する部分については、制御点を細かくする。安定化エネルギーは全ての制御点に対してかける。このような制御点の選択は、標準モデルDSを準備する際に行う。   For example, for a portion where the contour RK changes rapidly, the control point is made fine. Stabilization energy is applied to all control points. Such control point selection is performed when the standard model DS is prepared.

なお、制御点群T1A, T2A, T3A, TsAは互いに異なるのであるが、各制御点群に含まれる制御点は、互いに共通に用いられるものもある。
〔信頼性に応じたウエイトの変更〕
上に述べた(12)式では、各情報についての信頼性が同等であるとして総合エネルギー関数e(TA)を評価したが、ここに示す例は、それぞれの情報の信頼性に応じて重みを変更する。これによって、様々な情報の中からより信頼性の高い情報に重きを置いて判定することができる。
Although the control point groups T1A, T2A, T3A, and TsA are different from each other, some of the control points included in each control point group are commonly used.
[Change of weight according to reliability]
In the above equation (12), the total energy function e (TA) is evaluated on the assumption that the reliability of each information is equivalent. However, in the example shown here, the weight is set according to the reliability of each information. change. Accordingly, it is possible to make a determination by placing emphasis on more reliable information among various types of information.

なお、それぞれの情報の信頼性は、3次元計測時、または輪郭・特徴点の自動抽出時に得られるものとする。この場合には、次の(14)式に示す総合エネルギー関数e(TA)を最小にする制御点群TAを求める。   In addition, the reliability of each information shall be acquired at the time of three-dimensional measurement or the automatic extraction of an outline and a feature point. In this case, a control point group TA that minimizes the total energy function e (TA) shown in the following equation (14) is obtained.

Figure 2011008816
Figure 2011008816

但し、
ρi :各エネルギー関数ei (TA)に関する情報の信頼性
W (ρi):信頼性関数
TA=T1A=T2A=T3A=TSA
〔部分領域変形〕
ステップ#17までの処理によって、従来の技術に比べて、より精密な3次元モデルMLを得ることができる。しかし、ステップ#17までの処理は対象物全体を対象として行われているので、局所的に特徴を有する部分については必ずしも精密なフィッティングがなされているとは限らない。そこで、対象物のうち特徴のある部分またはステップ#17までの処理で十分なフィッティングがなされていない部分を3次元データDTから抽出し、抽出した3次元データDTのみを用いて、さらに標準モデルDSのフィッティングを行う(#18)。
However,
ρi: reliability of information on each energy function ei (TA) W (ρi): reliability function TA = T1A = T2A = T3A = TSA
(Partial area deformation)
By the processing up to step # 17, a more precise three-dimensional model ML can be obtained as compared with the conventional technique. However, since the processing up to step # 17 is performed for the entire target object, a precise fitting is not necessarily performed for a locally characteristic portion. Therefore, a characteristic part of the object or a part that has not been sufficiently fitted in the processing up to step # 17 is extracted from the three-dimensional data DT, and only the extracted three-dimensional data DT is used to further extract the standard model DS. (# 18).

図11は部分領域BRYの抽出の例を示す図、図12(A)(B)(C)は部分領域BRYを用いて標準モデルDSの変形を行う方法の例を説明する図である。   FIG. 11 is a diagram illustrating an example of extraction of the partial region BRY, and FIGS. 12A, 12B, and 12C are diagrams illustrating an example of a method for performing deformation of the standard model DS using the partial region BRY.

図11に示すように、3次元データDTから部分領域BRYを抽出する。各部分領域BRYa、BRYb、BRYcは、それぞれ、対象物の目およびその周辺、口およびその周辺、鼻およびその周辺を、3次元データDTより抽出して得られた3次元データである。また、各部分領域BRYは、必要に応じて、データ量を減らすためにデータ削減が行われる。データ削減の処理は、例えば、ステップ#15で行ったデータ削減と同様の手順で行う。後述する部分領域変形では、フィッティングの領域が部分領域BRYに限定されるので、(6)式の右辺をステップ#15のときよりも0に近くしてデータ削減率を低くし、これによって部分領域BRYの精密性を維持した場合であってもフィッティング処理に多くの時間を要さない。従って、部分領域BRYの範囲の広さ、要求する精密性、および処理時間などを考慮して、部分領域BRYごとにデータ削減率を設定することができる。部分領域BRYの抽出は、ステップ#12の処理のとき、つまり、3次元データDTを得たときに予め行っておいてもよいし、ステップ#17までの処理が完了した後に行ってもよい。   As shown in FIG. 11, the partial region BRY is extracted from the three-dimensional data DT. Each of the partial regions BRYa, BRYb, and BRYc is three-dimensional data obtained by extracting the eyes and the periphery thereof, the mouth and the periphery thereof, the nose and the periphery thereof from the three-dimensional data DT, respectively. Each partial area BRY is subjected to data reduction in order to reduce the data amount as necessary. The data reduction process is performed in the same procedure as the data reduction performed in step # 15, for example. In the partial area modification described later, since the fitting area is limited to the partial area BRY, the right side of the equation (6) is made closer to 0 than in step # 15 to lower the data reduction rate, thereby reducing the partial area. Even when the precision of BRY is maintained, the fitting process does not require much time. Accordingly, the data reduction rate can be set for each partial area BRY in consideration of the range of the partial area BRY, the required precision, the processing time, and the like. The extraction of the partial area BRY may be performed in advance in the process of step # 12, that is, when the three-dimensional data DT is obtained, or may be performed after the process up to step # 17 is completed.

図12に示すように、標準モデルDS1a、DS1bは、標準モデルDS1の部分領域変形の過程を示すものである。   As shown in FIG. 12, the standard models DS1a and DS1b show the process of partial area deformation of the standard model DS1.

ステップ#18においては、ステップ#17までの処理で得られた図12(A)の標準モデルDS1を、図12(B)に示すように部分領域BRYaを用いてフィッティングし、標準モデルDS1aを得る。フィッティングは、ステップ#16で行ったように、変形ないし繰り返し変形と同様の手順で行われ、(7)式の制御点群T1A、点Pk 、点Qk 、(8)式および(9)式の制御点群T2A、点pk 、点qk 、(10)式の制御点群T3A、点Fk 、点Gk 、(11)式の制御点群TsA、点U〜m 、点V〜m 、または(13)式のしきい値εなどについて、当該部分領域BRYに応じて好適な値を用いればよい。   In step # 18, the standard model DS1 of FIG. 12A obtained by the processing up to step # 17 is fitted using the partial region BRYa as shown in FIG. 12B to obtain the standard model DS1a. . The fitting is performed in the same procedure as the deformation or the repetitive deformation as in Step # 16, and the control point group T1A, the point Pk, the point Qk, the equation (8) and the equation (9) in the equation (7). Control point group T2A, point pk, point qk, control point group T3A of equation (10), point Fk, point Gk, control point group TsA of equation (11), point Um, point Vm, or (13 A suitable value may be used for the threshold value ε and the like of the formula) according to the partial region BRY.

それぞれの部分領域BRYについて、順次、部分領域変形を行う(#19でイエス、#18)。各部分領域BRYごとに、制御点群などをそれぞれ異ならせてフィッティングを行う。これにより、各部分領域BRYごとに、標準モデルDS1をさらに緻密にフィッティングさせることができる。   For each partial region BRY, partial region deformation is sequentially performed (Yes in # 19, # 18). For each partial region BRY, fitting is performed with different control point groups. As a result, the standard model DS1 can be fitted more precisely for each partial region BRY.

例えば、図12(B)に示す標準モデルDS1aを得た後、図12(C)に示すように部分領域BRYbを用いてフィッティングし、標準モデルDS1b(3次元モデルML)を得る。   For example, after obtaining the standard model DS1a shown in FIG. 12B, fitting is performed using the partial region BRYb as shown in FIG. 12C to obtain the standard model DS1b (three-dimensional model ML).

なお、各部分領域BRYは、他の部分領域BRYの一部と重なり、または他の部分領域BRYに含まれていてもよい。例えば、図11に示すように、部分領域BRYaの一部と部分領域BRYcの一部とが重なっていてもよいし、部分領域BRYbについて部分領域変形を行った後に、上唇のみを新たな部分領域BRYとして抽出し、部分領域変形を行ってもよい。   Each partial region BRY may overlap with a part of another partial region BRY, or may be included in another partial region BRY. For example, as shown in FIG. 11, a part of the partial area BRYa and a part of the partial area BRYc may overlap, or after the partial area deformation is performed on the partial area BRYb, only the upper lip is replaced with a new partial area. It may be extracted as BRY and subjected to partial region deformation.

上に述べた実施形態によると、全体的に標準モデルDSのフィッティングを行った後、部分領域BRYを用いて部分的に標準モデルDSのフィッティングを行うので、目または口もとなどの局部について局部的な異常変形を起こすことなく、それらをよりよく一致させることができる。したがって、対象物により一層近い3次元モデルMLを生成することができる。   According to the above-described embodiment, since the standard model DS is partially fitted using the partial region BRY after the standard model DS is entirely fitted, the local area such as the eyes or the mouth is localized. They can be better matched without causing abnormal deformation. Therefore, a three-dimensional model ML that is closer to the object can be generated.

上に述べた実施形態において、モデリング装置1の構成、回路、処理内容、処理順序、処理タイミング、係数の設定などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。   In the embodiment described above, the configuration, circuit, processing content, processing order, processing timing, coefficient setting, and the like of the modeling apparatus 1 can be appropriately changed in accordance with the spirit of the present invention.

1 モデリング装置(3次元モデルの生成装置)
10 処理装置
DT 3次元データ(計測データ)
FT 2次元画像(計測データ)
BRY 部分領域
DS,DS1,DS1a 標準モデル
DS1b 標準モデル(3次元モデル)
ML 3次元モデル
TA 制御点群
Pk 構成点(点群)
S 面
PR モデリングプログラム
1 Modeling device (3D model generator)
10 Processing device DT 3D data (measurement data)
FT 2D image (measurement data)
BRY Partial area DS, DS1, DS1a Standard model DS1b Standard model (3D model)
ML 3D model TA Control point group Pk Component point (point group)
S-plane PR modeling program

Claims (4)

CPUおよびメモリを有する処理装置を用いて、計測された3次元データに合わせて標準モデルを変形する方法であって、
前記3次元データおよび前記標準モデルを前記メモリに格納しておき、
前記CPUによって、
前記3次元データを間引くために、前記3次元データの個数を削減するステップと、
前記間引かれた3次元データの輪郭と前記標準モデルの輪郭との距離が小さくなるように前記標準モデルの全体を変形するステップと、
前記標準モデルの全体を変形した後に、前記間引かれる前の3次元データから局所的に特徴を有する複数の部分領域を選択するステップと、
選択された複数の部分領域の3次元データを用いて、前記標準モデルの対応する部分のみを変形するステップと、を実行する、
ことを特徴とする標準モデルの変形方法。
A method of transforming a standard model according to measured three-dimensional data using a processing device having a CPU and a memory,
Storing the three-dimensional data and the standard model in the memory;
By the CPU
Reducing the number of three-dimensional data in order to thin out the three-dimensional data;
Transforming the entire standard model so that the distance between the thinned outline of the three-dimensional data and the outline of the standard model is reduced;
Selecting a plurality of partial regions having features locally from the three-dimensional data before being thinned after deforming the whole of the standard model;
Performing only the corresponding part of the standard model using the three-dimensional data of the selected partial regions,
A standard model deformation method characterized by the above.
前記標準モデルには標準モデルを変形させるための制御点が定義されており、
前記部分領域ごとに、前記制御点、前記3次元データの個数を削減する削減率、または前記標準モデルの変形の度合を評価する評価関数の少なくとも1つを変更する、
請求項1記載の標準モデルの変形方法。
In the standard model, control points for deforming the standard model are defined,
Changing at least one of the control points, the reduction rate for reducing the number of the three-dimensional data, or the evaluation function for evaluating the degree of deformation of the standard model for each partial region;
The method for deforming a standard model according to claim 1.
計測された3次元データに合わせて標準モデルを変形することによって3次元モデルを生成するモデリング装置であって、
前記3次元データを間引くために、前記3次元データの個数を削減する手段と、
前記間引かれた3次元データの輪郭と前記標準モデルの輪郭との距離が小さくなるように前記標準モデルの全体を変形する手段と、
前記標準モデルの全体を変形した後に、前記間引かれる前の3次元データから局所的に特徴を有する複数の部分領域を選択する手段と、
選択された複数の部分領域の3次元データを用いて、前記標準モデルの対応する部分のみを変形する手段と、
を有してなることを特徴とするモデリング装置。
A modeling device that generates a three-dimensional model by transforming a standard model according to measured three-dimensional data,
Means for reducing the number of the three-dimensional data in order to thin out the three-dimensional data;
Means for deforming the entire standard model so that the distance between the thinned outline of the three-dimensional data and the outline of the standard model is small;
Means for selecting a plurality of partial regions having features locally from the three-dimensional data before being thinned after the whole of the standard model is deformed;
Means for deforming only the corresponding part of the standard model using the three-dimensional data of the plurality of selected partial regions;
A modeling apparatus characterized by comprising:
前記部分のみを変形する手段は、
前記部分領域ごとに、標準モデルを変形させるための前記標準モデルに定義された制御点、前記3次元データの個数を削減する削減率、または前記標準モデルの変形の度合を評価する評価関数の少なくとも1つを変更する、
請求項3記載のモデリング装置。
The means for deforming only the part is:
For each partial region, at least a control point defined in the standard model for deforming the standard model, a reduction rate for reducing the number of the three-dimensional data, or an evaluation function for evaluating the degree of deformation of the standard model Change one,
The modeling apparatus according to claim 3.
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